中國熱泵研究60年

中國熱泵研究60年

1黨校熱泵空調(diào)的發(fā)展歷程與展望20世紀(jì)60年代中期，在徐邦玉教授和吳元偉教授的指導(dǎo)下，黑龍江省開始了一篇關(guān)于加熱研究的議程。歷經(jīng)40年,大致分為三個階段:80年代以前為起步階段,其特點(diǎn)是起步較早,起點(diǎn)高,研究成果具有世界先進(jìn)水平,但發(fā)展緩慢;1980～1990年,其研究工作進(jìn)入興旺發(fā)展階段,其特點(diǎn)是以空氣/空氣熱泵為主,開展一些基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究工作,在短短十年里,作出許多成績,其發(fā)展速度很快;90年代后,由于科研經(jīng)費(fèi)等問題,我校的熱泵研究工作進(jìn)入艱難的發(fā)展階段,其特點(diǎn)是以模擬預(yù)測分析為主,評價(jià)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用,以期推動熱泵技術(shù)在我國的暖通空調(diào)中的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì),隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展,在國家自然科學(xué)基金的資助下,為我校熱泵空調(diào)的發(fā)展與應(yīng)用迎來新的興旺發(fā)展期。為此,本文將系統(tǒng)地總結(jié)我校從1959年哈工大分校建院到2003年的40年間在熱泵空調(diào)方面的研究工作,以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),堅(jiān)定信心,為更好地迎接熱泵空調(diào)發(fā)展的新的興旺期作好思想準(zhǔn)備,以激勵我校在熱泵空調(diào)研究方面再次走向興旺發(fā)展之路,為我國熱泵空調(diào)的發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。更希望通過對我校熱泵科研歷程的回顧,能推動熱泵事業(yè)的發(fā)展。也為同行提供一份我校發(fā)展熱泵空調(diào)技術(shù)的索引。2對熱設(shè)備的開發(fā)和研究2.1lhp-20機(jī)組1965年,由徐邦裕教授、吳元煒教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組,根據(jù)熱泵理論提出應(yīng)用輔助冷凝器作為恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的二次加熱器的新流程,經(jīng)理論分析和流程實(shí)驗(yàn)研究表明,其流程可行而先進(jìn),在國際上是首次提出的。1966年由哈爾濱空調(diào)機(jī)廠生產(chǎn)出第一臺樣機(jī),被命名為LHR-20A型熱泵式恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組,1969年通過鑒定。該機(jī)組的特點(diǎn)是:(1)夏季恒溫用的二次加熱采用制冷系統(tǒng)的部分冷凝熱,代替了傳統(tǒng)的電加熱,這不僅大大節(jié)省了電加熱的電能,而且也節(jié)省了冷凝器冷卻水的消耗。實(shí)際運(yùn)行證明,機(jī)組可達(dá)到±1℃的恒溫要求;(2)機(jī)組的流程是熱泵型,冬季恒溫所需的供熱量利用制冷系統(tǒng)的冷凝熱,即為具有節(jié)能和環(huán)保意義的水/空氣熱泵。1979年我院與哈爾濱制氧機(jī)廠在保持LHR—20機(jī)組原有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,共同研制出新的HR-20機(jī)組,該機(jī)組空氣側(cè)換熱器是銅管串整體鋁片,管孔采用雙翻邊。水側(cè)換熱器是低肋片銅管的殼管式換熱器。風(fēng)機(jī)是整體沖片式葉輪的雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)。經(jīng)測試表明,HR-20機(jī)組的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)比較先進(jìn)的水平,尤其是噪聲指標(biāo)接近于國際先進(jìn)水平。2.2帶熱水供應(yīng)的節(jié)能型冷藏柜新流程眾所周知,國產(chǎn)冷藏柜的冷凝熱白白地廢棄掉了。若利用這部分冷凝熱制備生活熱水,既節(jié)省了能量,又避免了冷凝熱量排入室內(nèi)引起的室溫過高的弊病。為此,我們于1989年提出了一種帶熱水供應(yīng)的節(jié)能型冷藏柜新流程。新流程考慮了如下原則:(1)保證正常制冷功能的前提下,可提供40～45℃的熱水;(2)應(yīng)較好地解決熱水制備和使用在數(shù)量和時(shí)間上不一致的矛盾;(3)系統(tǒng)簡單,能量回收率高,安全可靠。對新流程和其運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過實(shí)驗(yàn)尋求最佳流程和驗(yàn)證流程的合理性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。2.3燃?xì)馑?水熱泵研究進(jìn)展近年來,我國城市煤氣、天然氣的發(fā)展十分迅速。而燃?xì)鉄岜糜质且环N節(jié)能效果良好的熱泵,因此,燃?xì)鉄岜玫难芯恳岩饑鴥?nèi)熱泵工作者的注意。1986年天津大學(xué)首次進(jìn)行了燃?xì)鉄岜脤?shí)驗(yàn)研究工作;北京市公用事業(yè)研究所進(jìn)行了燃?xì)馕帐綗岜霉?、制冷的可行性研究。但?燃?xì)鉄岜迷谖覈鴮?shí)現(xiàn)商品化、實(shí)用化的道路上,還有大量的問題急需解決。為此,我校于1991年提出了燃?xì)馑?水熱泵研究課題,其目的是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證利用國產(chǎn)制冷機(jī)及部件設(shè)計(jì)和研制燃?xì)鉄岜脵C(jī)組的可行性,以及研究樣機(jī)的熱工性能。我們主要作了以下幾項(xiàng)工作:(1)設(shè)計(jì)和制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。選一臺長江750D型摩托車汽油發(fā)動機(jī)。這樣,改裝成燃?xì)鈾C(jī)容易,只需將汽化器換成帶調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的燃?xì)馀c空氣的混合裝置并修正點(diǎn)火時(shí)間,火花塞仍保持不變。實(shí)驗(yàn)研究表明,由汽油機(jī)改裝成燃?xì)鈾C(jī)方法簡單,且改裝后的燃?xì)鉄岜眠\(yùn)行平穩(wěn)、可靠、調(diào)節(jié)方便。對燃?xì)馑?水熱泵機(jī)組來說,燃?xì)鈾C(jī)缸體冷卻方式應(yīng)為水冷才合理。(2)通過實(shí)驗(yàn)得出了燃?xì)馑?水熱泵樣機(jī)的運(yùn)行特性。即低位熱源對供熱量、一次能源利用系數(shù)、燃?xì)夂牧康挠绊?燃?xì)庀牧?、一次能源利用系?shù)與燃?xì)庀牧康年P(guān)系等。2.4家用空調(diào)器研究進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著人民生活水平的提高,家用空調(diào)和熱水供應(yīng)已成為現(xiàn)代人居環(huán)境中不可缺少的設(shè)備。目前,國內(nèi)通常是分別選用兩套系統(tǒng),一是家用空調(diào)機(jī)組或戶式中央空調(diào)系統(tǒng),二是熱水器(電熱水器、燃?xì)鉄崴鞯?作為獨(dú)立熱源的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。這樣,每天空調(diào)的冷凝熱要白白排入大氣,既導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)又造成了室外環(huán)境的熱污染;同時(shí)又要消耗一定量的高品位能(電、燃?xì)獾?制備低品位的生活熱水。顯然,這種用能方式不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。為此,2002年提出研究和開發(fā)帶熱水供應(yīng)的家用空調(diào)器的研究課題,通過實(shí)驗(yàn)研究了下述問題:(1)新設(shè)備流程的可行性與可靠性問題;(2)新設(shè)備要同時(shí)具備空調(diào)和熱水供應(yīng)的兩種不同功能,特別要方便、可靠地向用戶提供熱水;(3)研究人居環(huán)境空調(diào)負(fù)荷變化規(guī)律和熱水供應(yīng)負(fù)荷變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上解決好空調(diào)冷凝熱與熱水供應(yīng)在時(shí)間和數(shù)量上的不一致問題;(4)研究蓄熱水箱的蓄熱特性、容積大小及其性能優(yōu)化;(5)新設(shè)備要能在空調(diào)運(yùn)行期間和停機(jī)期間內(nèi),隨時(shí)向用戶提供滿意的熱水,并且要保證在不供應(yīng)熱水的條件下,新設(shè)備能正常運(yùn)行,創(chuàng)造健康而舒適的人居環(huán)境。3資金質(zhì)量方面在20世紀(jì)80年代,空氣—空氣熱泵空調(diào)器很多都是由進(jìn)口件組裝的,或仿制國外樣機(jī),這些產(chǎn)品是否適合我國的氣象條件,在我國氣象條件下是否先進(jìn),亟待研究解決。為此,我院在1980～1990年的10年間開始進(jìn)行空氣—空氣熱泵空調(diào)器的研究。3.1空氣—空氣—空氣熱泵實(shí)驗(yàn)裝置的研究當(dāng)時(shí)國內(nèi)測定空氣—空氣熱泵制熱量的方法主要是焓差法。焓差法在測量微風(fēng)速下的風(fēng)量時(shí),測量的誤差較大,同時(shí),焓差(即溫度)的測量參數(shù)的波動還會帶來一些誤差,致使焓差法在測量小型空氣—空氣熱泵的測試精度較差。而工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采用房間熱平衡法實(shí)驗(yàn)裝置測試空氣—空氣熱泵性能,該方法被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)列為推薦標(biāo)準(zhǔn)。國際上公認(rèn),這種測試方法是小型空氣—空氣熱泵性能測試最精確的方法。然而,當(dāng)時(shí)各研究單位和空調(diào)設(shè)備生產(chǎn)廠家均無房間熱平衡實(shí)驗(yàn)裝置。為了推動我國熱泵的發(fā)展,有必要研究和建造房間熱平衡實(shí)驗(yàn)裝置。我校于1978年開始著手房間熱平衡法實(shí)驗(yàn)方法的資料準(zhǔn)備,1979年設(shè)計(jì)并開始建造“標(biāo)定型房間熱平衡法實(shí)驗(yàn)裝置”,于1980年5月建成了我國第一臺標(biāo)定型房間熱平衡法實(shí)驗(yàn)裝置,經(jīng)調(diào)試和應(yīng)用,于1981年5月通過鑒定。建成實(shí)驗(yàn)臺后,我們開展了下述各項(xiàng)工作:(1)為我國商檢部門標(biāo)定進(jìn)口空調(diào)器性能,把好質(zhì)量關(guān);(2)為開發(fā)空氣—空氣熱泵新產(chǎn)品,對進(jìn)口樣機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究;(3)標(biāo)定國產(chǎn)空調(diào)器的性能;(4)我國空氣一空氣熱泵季節(jié)性能系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究;(5)小型空氣—空氣熱泵除霜問題的研究;(6)開拓房間熱平衡法實(shí)驗(yàn)裝置用途的研究,;(7)探索提高標(biāo)定型房間量熱計(jì)的測試精度的技術(shù)措施。3.2分體式空調(diào)器標(biāo)定為了確定空氣—空氣熱泵季節(jié)性能系數(shù)(HSPF),我們采用美國ARI和標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)所給出的數(shù)學(xué)模型。為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算方法能否適合我國的具體情況,對國產(chǎn)FKL-30RD分體式空調(diào)器進(jìn)行標(biāo)定。由于計(jì)算某一空氣—空氣熱泵的HSPF值是以供熱容量為基礎(chǔ),而對一定供熱容量的熱泵的HSPF與供熱負(fù)荷有一定的函數(shù)關(guān)系,回歸出函數(shù)曲線,然后用“枚舉法”尋優(yōu),最后給出了空氣—空氣熱泵在我國7個采暖區(qū)域的熱泵性能系數(shù)值的分布。并給出FKL-30RD空調(diào)器在我國16個城市中,在不同的設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷系數(shù)下的采暖房間的熱耗量、用電量、輔助加熱量、工作平衡點(diǎn)溫度及供熱季節(jié)性能系數(shù)等,可供選擇熱泵時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的參考。3.3管簇結(jié)構(gòu)的drnl優(yōu)化室外溫度的變化和室外側(cè)換熱器的結(jié)霜將會直接影響空氣—空氣熱泵的制熱性能系數(shù),所以,對室外換熱器的優(yōu)化選擇是一個重要課題。我們利用中國空調(diào)研究所移植的美國新開發(fā)的空氣—空氣熱泵和空調(diào)器穩(wěn)態(tài)性能電算程序模型—簡稱DRNL程序,來預(yù)測室外側(cè)肋片管簇的結(jié)構(gòu)和排列對性能系數(shù)的影響。優(yōu)化后選出室內(nèi)側(cè)換熱器和室外側(cè)換熱器面積之比,又優(yōu)化出通過室外換熱器的風(fēng)速等。按上海氣候條件,其季節(jié)性能系數(shù)提高36%,而且還能大幅度減少結(jié)霜的周期。通過對改進(jìn)后換熱器的實(shí)驗(yàn)證明,其分析結(jié)果是正確的。我們還對雙向開槽肋片管簇?fù)Q熱器作為空氣—空氣室外換熱器進(jìn)行了優(yōu)化分析。確定了合理的肋片間距、縱向管排數(shù)、室內(nèi)側(cè)換熱器和室外側(cè)換熱器面積之比、空氣通過室外換熱器的流速等。據(jù)此設(shè)計(jì)了新的換熱器,使KTQ-3RB型熱泵的室外側(cè)換熱器造價(jià)較原有的降低了19.5%,而季節(jié)性能系數(shù)在上海提高了39%。3.4空氣熱泵的除霜方式當(dāng)小型空氣—空氣熱泵室外換熱器表面結(jié)霜嚴(yán)重時(shí),一方面使換熱器的傳熱熱阻增大,另一方面使通過蒸發(fā)器的風(fēng)量減少,二者的結(jié)果使熱泵的性能降低。若不及時(shí)除霜,將會導(dǎo)致熱泵不能正常供熱,甚至使熱泵發(fā)生事故。小型空氣—空氣熱泵在我國高濕度地區(qū)使用時(shí),在室外溫度12℃以上時(shí)就可能出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,因此,我們對空氣一空氣熱泵的除霜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。我們特別注意到室外的濕球溫度是影響空氣—空氣熱泵結(jié)霜的主要因素,它在很大程度上決定熱泵的定期除霜的頻率和周期。于是提出按不同的濕球溫度來制定除霜的時(shí)間。我們還提出了一個要求型和定時(shí)型的自動除霜控制程序。除上述除霜方式外,還可以在熱泵換熱器的結(jié)構(gòu)形式和面積大小上加以改進(jìn),以避免或推遲除霜,而達(dá)到節(jié)約能源的目的。因此,我們對KTQ型熱泵作了下列改進(jìn):(1)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,室外換熱器面積增加到室內(nèi)側(cè)換熱器的1.24倍;改變制冷劑通路,減少冷面積(20%減少到5%)。改進(jìn)后的熱泵在室外溫度為3℃、相對濕度75%情況下運(yùn)行,始終未發(fā)現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。(2)用了同類型的室外換熱器,僅將其肋片型改為雙面開槽時(shí),在溫度為2℃、相對濕度為75%的情況下,仍未發(fā)現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。(3)通過對室外換熱器空氣流速的優(yōu)化,也可避免結(jié)霜的可能。(4)找出了合適的目標(biāo)函數(shù),可對片型、片距、管排數(shù)、盤管走向等進(jìn)行優(yōu)化,并對數(shù)學(xué)模型數(shù)值求解,可以預(yù)測除霜的頻率和周期。4水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用情況所謂水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型的水/空氣熱泵的一種系統(tǒng)型式,即用水環(huán)路將小型的水/空氣熱泵機(jī)組并聯(lián)在一起,構(gòu)成一個以回收建筑物內(nèi)余熱為主要特點(diǎn)的熱泵供熱、供冷的空調(diào)系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代,在我國開始采用這種系統(tǒng)。90年代,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國得到廣泛的應(yīng)用。但是,應(yīng)用中仍存在一定的盲目性。這除了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足之外,更重要的是缺乏對該系統(tǒng)的深入了解。因此,為了在我國更好地推廣和應(yīng)用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。我校從1993年開始自選水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用的預(yù)測分析與評價(jià)課題。4.1運(yùn)行能耗的計(jì)算機(jī)模擬分析水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能在短時(shí)間里在美國的許多地方獲得推廣應(yīng)用,計(jì)算機(jī)的模擬分析起到了推動作用。如果沒有系統(tǒng)模擬預(yù)測分析的支持,便沒有人愿意首先嘗試一種新的空調(diào)方式。為了更好地推動和應(yīng)用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),我們對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國各地區(qū)運(yùn)行能耗進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬分析。模擬分析中充分考慮我國地域遼闊,南北氣候條件相差很大,建筑物的型式和功能又各不相同的特點(diǎn),預(yù)測在全國各地采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí),其氣象條件、建筑物型式、規(guī)模、建筑物內(nèi)部負(fù)荷等因素對它運(yùn)行能耗的影響。在本項(xiàng)研究工作中,我們對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗提出了三種評價(jià)方法:1)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的靜態(tài)分析法;2)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的計(jì)算機(jī)動態(tài)分析;3)系統(tǒng)運(yùn)行能耗參數(shù)的評價(jià)法。據(jù)此,我們對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國哈爾濱、北京、上海、廣州四個城市的氣象條件下及不同負(fù)荷特點(diǎn)的建筑物中的運(yùn)行能耗進(jìn)行了綜合分析,初步得出了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用評價(jià)。4.2外部熱源的引進(jìn)眾所周知,只有建筑物內(nèi)有大量余熱時(shí),通過水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)將建筑物內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到需要熱量的區(qū)域,才能收到良好的節(jié)能效果。但是,目前我國各類建筑物內(nèi)部負(fù)荷不大,建筑物的內(nèi)區(qū)面積又小。而且,常規(guī)空調(diào)熱源又常為燃煤鍋爐。由于這種情況制約了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用范圍。解決這個問題的途徑,就是由建筑的外部引進(jìn)新的外部熱源。我國太陽能資源非常豐富,它是水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的理想外部熱源。因此,在1995年開始了太陽能水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用的預(yù)測分析課題的研究工作。研究結(jié)果表明,太陽能水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種節(jié)能系統(tǒng),應(yīng)用前景廣闊,節(jié)能潛力大。該系統(tǒng)以建筑物的消防水池為蓄熱水池,以解決太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性。此系統(tǒng)拓寬了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應(yīng)用范圍,使目前內(nèi)部余熱量小或無余熱的建筑物也可以采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。5電動熱泵站在我國的應(yīng)用用于建筑物區(qū)域供熱(供冷)的由大型熱泵裝置組成的集中熱源冷源,稱之為熱泵站。熱泵站設(shè)想的提出始于20世紀(jì)70年代末80年代初,首先在瑞典、前蘇聯(lián)等供熱較發(fā)達(dá)的國家將熱泵站用于區(qū)域供熱,主要采用技術(shù)成熟的壓縮式熱泵裝置。那么,在我國應(yīng)用熱泵站作為集中供熱的熱源,其經(jīng)濟(jì)評價(jià)如何呢?為了回答這些問題,我校于1991年開展了電動熱泵站在我國應(yīng)用的可行性研究;于1994年開展了“吸收式熱泵站在我國應(yīng)用的分析與評價(jià)”課題。我們假設(shè)一個供熱量為20MW的小區(qū),采用熱泵站供熱(冷),冬季供60℃的熱水,夏季供7℃冷凍水。據(jù)此建立了熱泵站綜合評價(jià)模型,對我國各地建立熱泵站進(jìn)行節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)測分析。為了使評價(jià)更為直觀、明了,我們將熱泵站與同供熱量的區(qū)域鍋爐房同時(shí)進(jìn)行分析比較。5.1城市供熱成本分析5.1.1通過建立電動熱泵站的節(jié)能效果評價(jià)數(shù)學(xué)模型與求解,來評價(jià)在我國21個城市中建立熱泵站的節(jié)能效果。結(jié)果表明,在我國各地區(qū)建立以水為低位熱源,冬季供60℃熱水的電動熱泵站是節(jié)能的。與目前的常規(guī)區(qū)域鍋爐房相比,以河水(5～6.6℃)為低位熱源時(shí),年節(jié)煤率為12.68%～14.08%;采用海水(12～13.6℃)為低位熱源時(shí),年節(jié)煤率為21.59%～23.58%;以工業(yè)廢水(18～20℃)為低位熱源時(shí),其年節(jié)煤率高達(dá)39.00%～39.98%。雖然我國各地區(qū)的節(jié)煤率基本一樣,但是全國各地節(jié)煤量卻不一樣,差異很大。5.1.2根據(jù)費(fèi)用現(xiàn)值法,建立了熱泵站的經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)模型。并將煤價(jià)、電價(jià)作為變量,在供熱鍋爐房使用壽命期內(nèi)的費(fèi)用年值等于熱泵站使用壽命期內(nèi)的費(fèi)用現(xiàn)值的前提下,研究全國主要城市在不同低位熱源、不同設(shè)備價(jià)格條件下煤價(jià)和電價(jià)的關(guān)系。并以此關(guān)系繪制出各主要城市的熱泵站臨界經(jīng)濟(jì)線。我們可以十分方便地判斷每個地區(qū)建立熱泵站的經(jīng)濟(jì)效益如何。5.2經(jīng)濟(jì)效益分析5.2.1利用吸收式熱泵站綜合評價(jià)模型,對我國20個城市建立的吸收式熱泵站進(jìn)行能耗分析,預(yù)測了20個城市建立吸收式熱泵站的運(yùn)行能耗,相對于傳統(tǒng)的鍋爐房供熱,熱泵站的節(jié)煤量與節(jié)煤率,并對影響吸收式熱泵站運(yùn)行能耗的因素進(jìn)行了分析。5.2.2根據(jù)吸收式熱泵站方案的性質(zhì)與特點(diǎn),選用費(fèi)用年值法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)。據(jù)此,建立了吸收式熱泵站的經(jīng)濟(jì)效益模型。在目前的設(shè)備、能源價(jià)格條件下,吸收式熱泵站同傳統(tǒng)的供熱方式相比競爭力不強(qiáng)。但在南方城市建立吸收式熱泵站同傳統(tǒng)的供熱方式的競爭力要比北方強(qiáng)。6冷熱水機(jī)組與土壤源熱泵的研究6.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀空氣源熱泵冷熱水機(jī)組作為中央空調(diào)冷熱源,近年來,在我國獲得很大的發(fā)展。但是,在實(shí)際運(yùn)行與推廣中,我們發(fā)現(xiàn)仍存在一些問題值得研究。為此,于1997年開展了空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的一些研究工作。6.1.1空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜量指標(biāo)的確定空氣源熱泵冷熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中的供熱量和性能系數(shù)受室外溫度、相對濕度和結(jié)霜與除霜控制方式的影響很大。目前生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)資料,既沒有考慮在我國各地的結(jié)霜情況,也未考慮除霜的控制方式,因此,設(shè)計(jì)人員很難根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)資料正確地確定機(jī)組實(shí)際的供熱量和性能系數(shù),也無法準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。為此,我們作了研究,提出了結(jié)霜量指標(biāo)和相對結(jié)霜量的概念,統(tǒng)計(jì)分析了我國空氣源熱泵適用地區(qū)的氣候特點(diǎn),得出了不同使用情況下的平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)。據(jù)此,將我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)組適用地區(qū)分為:低溫結(jié)霜區(qū),如濟(jì)南、北京、鄭州、西安、蘭州等;輕霜區(qū),如成都、重慶、桂林等;一般結(jié)霜區(qū),如杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等;重霜區(qū),如長沙?？赏扑]作為設(shè)計(jì)中的參考。6.1.2結(jié)霜時(shí)變化率的計(jì)算空氣源熱泵冷熱水機(jī)組冬季結(jié)霜的問題始終是影響其應(yīng)用和發(fā)展的主要問題。因此,近年來,我校又開展了這方面的研究。指出了目前計(jì)算用于霜密度變化的結(jié)霜量變化率公式中存在的問題,提出了根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和Clapeyron-Clausius方程推導(dǎo)出的計(jì)算用于霜密度變化的結(jié)霜量變化率的公式。在質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒的基礎(chǔ)上建立了空氣源熱泵冷熱水機(jī)組室外換熱器結(jié)霜工況下的數(shù)學(xué)模型,將結(jié)霜模型和換熱器特性模型有機(jī)地結(jié)合起來,該模型為分布參數(shù)模型,且考慮了制冷劑側(cè)兩相流動換熱的影響,其模型具有很強(qiáng)的適用性;建立了整個空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的動態(tài)模型。通過數(shù)值求解,分別計(jì)算了不同工況下的結(jié)霜速率、霜的密度、霜的厚度隨時(shí)間的變化以及結(jié)霜后系統(tǒng)中各狀態(tài)參數(shù)的變化。其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。6.1.3平衡溫度和著力點(diǎn)選擇平衡點(diǎn)溫度對于空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響很大,如何合理選擇平衡點(diǎn)溫度是十分重要的問題。因此,我們在總結(jié)前人研究空氣源熱泵冷熱水機(jī)組成果的基礎(chǔ)上,提出了最佳能量平衡點(diǎn)溫度、最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度、最佳能源利用率平衡點(diǎn)溫度的概念及相應(yīng)的計(jì)算方法。6.1.4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)組故障診斷效果由于空氣源熱泵冷熱水機(jī)組運(yùn)行工況的特殊性,壓縮機(jī)所承受的工作狀況較為惡劣,使其運(yùn)行不穩(wěn)定且經(jīng)常發(fā)生事故,甚至停機(jī)、燒機(jī)。因此,掌握機(jī)組中壓縮機(jī)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行規(guī)律并了解有關(guān)故障,對空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的推廣與應(yīng)用有著重要的意義。為此,我們對機(jī)組運(yùn)行中易出現(xiàn)的故障進(jìn)行詳細(xì)的剖析,找出故障出現(xiàn)的原因并提出改進(jìn)機(jī)組的技術(shù)措施。同時(shí)研究了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障診斷方法,建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的故障診斷模型。并用模擬實(shí)驗(yàn)的征兆實(shí)例和領(lǐng)域?qū)＜业闹R對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練。診斷結(jié)果表明,對于已學(xué)習(xí)過的樣本知識,網(wǎng)絡(luò)的輸出與希望結(jié)果充分吻合,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)組故障診斷是行之有效的。為保障機(jī)組安全可靠運(yùn)行提供了重要手段。6.2耦合熱泵供暖系統(tǒng)針對傳統(tǒng)供暖方式存在的能耗過高和環(huán)境污染問題,提出了生態(tài)供暖的新理念。根據(jù)熱泵的基本原理并針對寒冷地區(qū)的特點(diǎn),提出一種以能量閉路循環(huán)使用為特征的、具有節(jié)能和環(huán)保意義的、適合于寒冷地區(qū)特點(diǎn)的雙級耦合熱泵供暖系統(tǒng),提出了雙級耦合熱泵供暖系統(tǒng)的三個可實(shí)施方案。所謂雙級耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指系統(tǒng)通過一個水循環(huán)系統(tǒng)將兩套單級壓縮式熱泵系統(tǒng)有機(jī)耦合在一起,構(gòu)成一個新型的熱泵系統(tǒng)。通常可由空氣/水熱泵加上水/空氣熱泵,或空氣/水熱泵加上水/水熱泵組成。現(xiàn)已完成下述幾項(xiàng)工作:(1)建立了空氣/水加水/空氣雙級耦合熱泵的熱力特性仿真模型,并將供暖負(fù)荷特性、空調(diào)負(fù)荷特性、調(diào)節(jié)特性等與其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有機(jī)地結(jié)合起來;(2)空氣/水加水/空氣雙級耦合熱泵系統(tǒng)在我國寒冷地區(qū)應(yīng)用的預(yù)測分析;(3)研究提高空氣/水熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用可靠性的技術(shù)措施;(4)提出空氣/水加水/水的雙級混合系統(tǒng)。6.3土壤溫度場和蓄冷系統(tǒng)在對國內(nèi)外關(guān)于土壤耦合熱泵系統(tǒng)及冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用充分了解的基礎(chǔ)上,以新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù),整合集成土壤耦合熱泵和冰蓄冷的技術(shù)要素和成果,提出了一種適合于以空調(diào)負(fù)荷為主,采暖負(fù)荷為輔地區(qū)的全新的空調(diào)系統(tǒng)形式,即土壤蓄冷與熱泵集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了凍土蓄冷技術(shù)和土壤耦合熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),將土壤耦合熱泵系統(tǒng)中的地下埋管換熱器兼作夏季蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的蓄冷裝置,使土壤耦合熱泵系統(tǒng)的地下埋管換熱器和蓄冷裝置合二為一,免除了傳統(tǒng)冰蓄冷系統(tǒng)中占地面積大、耗資較多的蓄冷裝置(如蓄冰筒或蓄冰槽等),解決了蓄冷裝置的占地面積和配置問題。土壤耦合熱泵系統(tǒng)在我國南部亞熱帶地區(qū)長期運(yùn)行,由于冬、夏季負(fù)荷的不平衡性,使得土壤的溫度逐年升高,最終導(dǎo)致夏季制冷工況運(yùn)行時(shí),冷凝溫度過高,使土壤耦合熱泵系統(tǒng)